沖擊載荷下纖維金屬層板損傷行為及動態(tài)響應(yīng)特性研究.pdf

1、纖維金屬層板(FML，F(xiàn)ibre-Metal Laminate)是一類由金屬薄板和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料交替層壓而成的超混雜復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、低密度、高韌性及優(yōu)異的阻燃、耐沖擊和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用于波音和空客系列飛機(jī)，并在航空工業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景。另一方面，鳥撞、冰雹、跑道碎片和工具敲打等造成的沖擊損傷是航空機(jī)身結(jié)構(gòu)件的一種重要損傷形式。為滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和穩(wěn)定性要求，抗沖擊性能評估已成為民用和軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)

2、準(zhǔn)之一。FML抗沖擊力學(xué)特性研究成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。
　　FML抗沖擊力學(xué)特性研究主要采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真方法。迄今，準(zhǔn)確表征復(fù)合材料鋪層復(fù)雜損傷模式和失效過程的損傷模型依然是 FML沖擊有限元數(shù)值仿真的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，也是其重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，并且缺乏對復(fù)合材料模型適用性的討論。另外，針對“材料參數(shù)”和“事件參數(shù)”對FML低速沖擊載荷下?lián)p傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性影響的數(shù)據(jù)依然缺乏，對FML高速沖擊載荷下的損傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性影響的數(shù)據(jù)

3、更是鮮見報(bào)道，有待進(jìn)一步深入研究。
　　基于以上背景，本文首先針對FML中的復(fù)合材料鋪層，分別建立了二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型和三維漸進(jìn)損傷模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)討論了模型參數(shù)獲取問題，并編寫了用戶材料子程序；然后，采用所建立的復(fù)合材料損傷模型，結(jié)合動態(tài)顯式算法進(jìn)行了FML沖擊有限元數(shù)值仿真建模，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值仿真方法的有效性，并討論了復(fù)合材料模型在 FML沖擊有限元數(shù)值仿真上的適用性問題；最后，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究

4、了FML抗低速、高速沖擊力學(xué)特性，并重點(diǎn)研究了“材料參數(shù)”和“事件參數(shù)”對FML沖擊損傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，建立一種考慮纖維拉伸損傷演化、彈性模量拉壓異性及面內(nèi)剪切塑性的二維復(fù)合材料連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型?；谶B續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論，考慮復(fù)合材料纖維拉伸損傷演化規(guī)律和纖維方向、橫向彈性模量拉壓異性效應(yīng)并結(jié)合塑性方程，在平面應(yīng)力狀態(tài)下分別建立了忽略和計(jì)及面內(nèi)剪切塑性應(yīng)變的兩種連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模

5、型，并以FML復(fù)合材料鋪層——S2-Glass/Epoxy疊層復(fù)合材料為例討論了模型參數(shù)獲取問題；最后將所建立的模型編寫成用戶材料子程序，并進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第二，建立一種考慮剪切非線性，包含剪切損傷初始準(zhǔn)則和纖維方向、橫向彈性模量拉壓異性效應(yīng)并采用應(yīng)變描述的復(fù)合材料三維漸進(jìn)損傷模型。以采用應(yīng)力描述的Hashin準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，考慮復(fù)合材料剪切非線性力學(xué)響應(yīng)特性和纖維方向、橫向彈性模量拉壓異性效應(yīng)并補(bǔ)充剪切損傷初始準(zhǔn)則，建立了采用應(yīng)變

6、描述的復(fù)合材料三維損傷初始準(zhǔn)則；然后建立了采用應(yīng)變描述的損傷演化方程，進(jìn)而建立了可描述損傷初始和演化過程的復(fù)合材料三維漸進(jìn)損傷模型；最后將所建立的模型編寫成用戶材料子程序，并進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第三，討論和闡述復(fù)合材料模型在 FML沖擊有限元數(shù)值仿真上的適用性問題。結(jié)合動態(tài)顯式算法，采用所建立的復(fù)合材料二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型和三維漸進(jìn)損傷模型以及ABAQUS自帶的材料模型對FML落錘沖擊或彈道沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真建模，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

7、證了數(shù)值仿真方法的有效性，并重點(diǎn)闡述了復(fù)合材料模型的適用性問題。結(jié)果表明，采用二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型可描述低能量沖擊載荷下 FML中復(fù)合材料鋪層的損傷行為，但如果沖擊能量較高導(dǎo)致 FML發(fā)生穿透或接近穿透時二維模型不再適用，不能客觀反映沖擊載荷下復(fù)合材料的動態(tài)響應(yīng)和失效過程；采用三維漸進(jìn)損傷模型可較理想地預(yù)測低速、高速沖擊載荷下復(fù)合材料鋪層的動態(tài)響應(yīng)和失效過程。
　　第四，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，開展 FML抗低速沖擊力

8、學(xué)特性研究。采用落錘實(shí)驗(yàn)獲取了低速沖擊載荷下 FML的動態(tài)響應(yīng)特性和損傷模式，分析了機(jī)理，并獲取了重復(fù)沖擊、溫度環(huán)境以及金屬鋪層材料特性對FML沖擊損傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律；采用數(shù)值仿真方法獲取了沖擊體尺寸對FML低速沖擊載荷下的損傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。
　　第五，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，開展 FML抗彈道沖擊力學(xué)特性研究。采用輕氣炮高速沖擊實(shí)驗(yàn)獲取了不同沖擊角度下 FML的損傷模式和彈道極限方程，并獲取

9、了沖擊角度、重復(fù)沖擊等沖擊條件對FML彈道沖擊損傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律；采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法給出了邊界效應(yīng)對FML抗彈道沖擊力學(xué)特性的影響機(jī)制；采用數(shù)值仿真方法獲取了FML鋪層厚度及鋪設(shè)方式對FML抗彈道沖擊力學(xué)特性的影響規(guī)律。
　　綜上，針對沖擊載荷下 FML損傷行為和動態(tài)響應(yīng)特性，本文分別建立了復(fù)合材料二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型和三維漸進(jìn)損傷模型，并闡述了復(fù)合材料模型在 FML沖擊有限元數(shù)值仿真上的適用性問題，